信号通信论文篇1

　　论文摘要:近几十年里，数字信号处理技术取得了飞速发展，特别是在自适应信号处理方面，通过内部参数的最优化来自动调节系统特性并以其计算简单，收敛速度快等许多优点而被广泛使用。本文主要介绍了几种常用的自适应算法，如：LMS，RLS，NLMS等。分别就几种算法在算法原理，算法性能分析和计算机仿真等方面来说明各种算法的优越性。通过围绕算法的优缺点进行比较，得出一些重要结论。最后对自适应信号处理的一些应用作了介绍和分析，并对其进行了仿真。

　　Abstract：Inrecentdecades,digitalsignalprocessingtechnologyhasmaderapiddevelopment,especiallyinadaptivesignalprocessing.Theadaptivesignalprocessingalgorithmcanadjusttheinternalparametersoffilterstooptimizesystemcharacteristicsautomatically.Foritssimplecomputationalcomplexity,fastconvergencespeedandmanyotheradvantages,adaptivefilerhasbeenwidelyused.

　　Thispaperintroducesseveralcommonlyusedalgorithms,suchas:LMS,RLS,NLMS,etc..Throughtheprincipleofadaptivealgorithmanalysisandsimulation,weillustratethevariousaspectsoftheadaptivealgorithm’ssuperiority.Andthroughthecomparingoftheiradvantagesanddisadvantages,wecoulddrawsomeimportantconclusionsfordifferentalgorithm.

　　Keywords:Adaptivesignalprocessing,Adaptivefilter

　　1引言

　　自适应信号处理是信号处理领域的一个非常重要的分支。作为自适应信号处理基础的自适应滤波理论是对信号处理研究的一个重要方法，本文亦将它作为研究的手段。自适应信号处理经过近40年来的发展，随着人们在该领域研究的不断深入，其理论和技术已经日趋完善。尤其是近年来，随着超大规模集成电路技术和计算机技术的迅速发展，出现了许多性能优异的高速信号处理专用芯片和高性能的通用计算机，为信号处理，特别是自适应信号处理的发展和应用提供了重要的物质基础。另一方面，信号处理理论和应用的发展，也为自适应信号处理的进一步发展提供了必要的理论基础。自适应信号处理已经在诸如噪声对消，信道均衡，线形预测等方面得到广泛的应用。

　　本文主要研究的是自适应信号处理中一些基本的算法，如：LMS，RLS，NLMS等。在学习和总结前人工作的基础上，对各种算法进行了详细的推导，分析了它们的特点及性能，诸如稳态特性，收敛条件及参数的取值。对其中的两个基本算法LMS和RLS算法在收敛性和稳定性进行了分析比较，并用matlab仿真得到验证。最后对自适应处理的一些应用作了简要说明，如：噪声对消，信道均衡，线性预测及陷波器等，并对其进行了仿真。

　　1.1研究的目的和意义

　　常规的信号处理系统，利用自身的传输特性来抑制信号中的干扰成分，对不同频率的信号有不同的增益，通过放大某些频率的信号，而使另一些频率的信号得到抑制。由于其内部参数的固定性，消除干扰的效果受到很大的限制。通常许多情况下，并不能得到信道中有用信号和干扰信号的特性或者它们随时间变化，采用固定参数的滤波器往往无法达到最优滤波效果。在这种情况下，可以用自适应处理系统，来跟踪信号和噪声的变化。

　　自适应系统可以利用前一时刻已经获得的滤波器参数等结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和干扰未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。正是由于它在设计时需要很少或者无需任何关于信号和干扰的先验知识就可以完成的优点，所以发展很快，并得到广泛的应用。

　　1.2自适应系统的组成

　　自适应系统和常规系统类似，可以分为开环自适应和闭环自适应两种类型。开环自适应系统主要是对输入信号或信号环境进行测量，并用测量得到的信息形成公式或算法，用以调整自适应系统自身；而闭环自适应系统还利用系统调整得到的结果的有关知识去优化系统的某种性能，即是一种带“性能反馈”的自适应系统。

　　下图a表示一个开环自适应系统，控制该系统的自适应算法仅由输入确定。图b则表示一个闭环自适应系统，控制该系统响应的自适应算法除了取决于输入外，还依赖系统输出的结果。

　　1.3基本自适应算法

　　这里主要介绍LMS，RLS，NLMS三种基本算法。

　　LMS算法是最被广泛应用的滤波器演算法，最大的特点就是计算量小，易于实现。基于最小均方误差准则，LMS算法使滤波器的输出信号与期望输出信号之间的均方误差最小。运算过程不需要对相关函数及复杂的反矩阵做运算，所以经常拿来用作比较的基准。

　　LMS算法为了便于其实现，采用误差输出模的瞬时平方值(即瞬时功率)的梯度来近似代替均方误差的梯度。实际上我们可以直接考察一个由平稳信号输入的自适应系统在一段时间内输出误差信号的平均功率，即把平均功率达到最小作为测量自适应系统性能的准则，这就是RLS算法。换句话说，LMS算法是将输出误差信号的平均平方值最小化，而RLS算法是将输出误差信号平方值总和最小化。虽然RLS算法复杂度和阶数平方成正比，但是由于它的收敛速度快，所以仍然受到广泛的应用。

　　为克服常规的固定步长LMS自适应算法在收敛速率，跟踪速率与权失调噪声之间的要求上存在的较大矛盾，许多学者提出了各种各样的改进型LMS算法。比如归一化LMS，基于瞬变步长LMS以及基于离散小波变换的LMS自适应滤波算法。这里我们讨论归一化的LMS算法，即NLMS算法。

　　以上这些算法主要特点是不需要离线方式的梯度估值或者重复使用样本数据，而只需在每次迭代时对数据作“瞬时”梯度估计。因此自适应过程中的迭代比较简单，收敛速度比较快。

　　1.4Matlab语言介绍

　　本文的算法仿真采用了MATLAB语言。MATLAB是Mathworks公司于20世纪80年代推出的数值计算软件，近些年来得到了广泛的应用。MATLAB的全称是MatrixLaboratory，意思是矩阵实验室。它是以矩阵运算为基础的新一代程序语言。与Fortran和C相比，MATLAB语句显得简单明了，更加符合人们平常的思维习惯。同时，MATLABB有着良好的数据可视化功能，能将数字结果以图形的方式表现出来，让人们一目了然。这些特点使得MATLAB从众多数值计算语言中脱颖而出，并正以相当快的速度在科学研究和工程计算中得到应用和普及。

　　MATLAB有着非常强大的数值计算能力，它以矩阵为基本单位进行计算，数域扩展到复数，这一特点决定了MATLAB有着非凡的解决数值问题的能力。绘图方面，MATLAB的绘图语句简单明了，功能齐全。它能够在不同坐标系里绘制二维、三维图形，并能够用不同颜色和线型来描绘曲线。正是由于MATLAB这些特点，从而使它适合与进行自适应算法仿真。

　　2基本自适应算法的分析与Matlab仿真

　　2.1最小均方误差(LMS)自适应算法

　　2.1.1LMS自适应滤波器基本原理

　　SHAPE\*MERGEFORMAT

　　图2.1.1LMS自适应滤波器原理框图

　　图2.1.1中，表示时刻的输入信号，表示时刻的输出信号，表示时刻的参考信号或期望响应信号，表示时刻的误差信号。误差信号为期望响应信号与输出信号之差，记为。自适应滤波器的系统参数受误差信号控制，并根据的值而自动调整，使之适合下一时刻的输入，以使输出信号更加接近期望信号，并使误差信号进一步减小。当均方误差达到最小值时，最佳地逼近，系统已经适应了外界环境。

　　2.1.2E[e2(n)]与权值W的关系

　　LMS自适应滤波器通过算法，当最小时，滤波器已经调节出适合现在外部环境的滤波器权值W。

　　(1)我们可以先推导出与加权系数W的关系式。

　　写成矩阵形式：式(2.1.2.1)

　　误差：式(2.1.2.2)

　　则式(2.1.2.3)

　　令带入式(2.1.2.3)中得

　　中国论文联盟可以从上式看出均方误差是加权系数的二次函数，它是一个中间上凹的超抛物形曲面，是具有唯一最小值的函数。即与的关系在几何上是一个“碗形”的多维曲面。为了简单，设是一维的，则与的关系成为一个抛物线。调节加权系数使均方误差最小，相当于沿超抛物形曲面下降到最小值。连续地调节加权系数使均方误差最小，即寻找“碗”的底点。碗底：，即点。

　　2.1.3LMS算法推导

　　最小均方差（LMS）算法，即权系数递推修正达到最佳权系数是依据最小均方算法。最陡下降法（SteepestDescentMethod）是LMS算法的基础，即下一时刻权系数矢量应该等于“现时刻”权系数矢量加上一项比例为负的均方误差函数的梯度，即

　　式（2.1.3.1）

　　其中为

　　式（2.1.3.2）

　　为控制收敛速度与稳定性的数量常数，称为收敛因子或自适应常数。式（2.1.3.1）中第二项前的负号表示当梯度值为正时，则权系数应该小，以使下降。根据式（2.1.3.1）的递推算法，当权系数达到稳定时，一定有，即均方误差达到极小，这时权系数一定达到所要求的最佳权系数。LMS算法有两个关键：梯度的计算以及收敛因子的选择。按（2.1.3.2）计算时，要用到统计量G，P，因此有很大困难，故通常用一种粗糙，但却有效的方法，就是用代替，即

　　式（2.1.3.3）

　　式（2.1.2.3）的含义是指单个误差样本的平方作为均方误差的估计值，从而使计算量大大减少。从而最终可以推出权系数迭代的LMS算法为：

　　式（2.1.3.4）

　　为输入样本向量，只要给定系数迭代的初值，根据上式可以逐步递推得到最佳权系数，并计算出滤波器误差输出。下图为LMS算法的流程图：

　　SHAPE\*MERGEFORMAT

　　2.1.4LMS算法的参数分析

　　LMS算法所用到计算式如下：

　　系统输出：

　　误差估计：

　　权值更新：

　　其中为信号输出，为输入向量，为误差值，为权值向量，为期望值，为步长。在LMS算法中步长值的取舍问题非常重要，直接影响了算法的收敛速度。值是用来调整加权参数的修正速度，若值取的过小，收敛速度就会过于缓慢，当取的过大时，又会造成系统收敛的不稳定，导致发散。所以选取最佳的值是LMS算法中一个重要的问题。具体收敛条件可由下面的式子分析得出：

　　可以以得出收敛条件及

　　其中是输入相关矩阵的最大特征值。

　　2.1.5LMS算法的仿真分析

　　图(2.1.5.1)

　　上面为输入信号与输出信号图示。输入信号采用正态随机信号加上高斯白噪声。可以看出输出信号经过一段时间基本达到跟踪，滤波的效果。

　　图(2.1.5.2)

　　图(2.1.5.3)

　　上面两图分别是误差曲线和误差平方均值曲线，可以看出信号经过自适应滤波器后经过一段训练时间误差基本趋于收敛，即外界信号已经完成自适应过程，滤波器已经将权值调节至最佳，可以输出得到所期望的有用信号。

　　信号通信论文篇2

　　关键词：DDSFPGA频率合成器跳频通信

　　在众多的通信技术中，扩频通信技术由于具有独特的抗干扰能力以及宽的使用频带而在军事通信领域倍受青睐。根据扩频通信调制方式的不同，它可以分为直接序列扩频方式（DS）、跳频方式（FH）、跳时方式（FT）及兼有以上方式中二种以上的混合方式。其中跳频通信具有保密性好、不易受远近干扰和多径干扰的影响等优点，是一种很有前景的通信方式。跳频系统的频率跳变，受到伪随机码的控制。不同的时间、不同的伪码相位，频率合成器产生的相应频率也不同。把跳频系统的频率跳变规律称为跳频图案。跳频图案是时间和频率的函数，故又称为时间－频率矩阵，简称时频矩阵。时频矩阵可直观描述出频率跳变规律，如图1所示。

　　跳频图案的设计是跳频通信系统的一个关键问题，直接影响到跳频系统的保密、抗干扰、多址等性能。一般要求跳频图案的周期要长，这就要求控制跳频图案的伪随机码周期要长，即移位寄存器的级数要大。

　　1基于FPGA和DDS技术的跳频信号源设计

　　跳频信号源即为载波频率按照一定跳频图案跳变的信号发生器。设计一个性能优异的跳频信号源，困难在于其优良的频谱性能。笔者提出了一种基于FPGA12和DDS技术的跳频图案的设计方案。指标如下：600跳／秒跳速；20个跳频点；3．4MHz跳频基带；68MHz跳频带宽；106．78MHz～172．14MHz跳频频率中20个频点。DDS采用AD公司的最新频率合成器件AD9852，写频率控制字采用ALTARA公司的可编程逻辑器件APEX20K系列中的EP20K100，其逻辑资源为10万门，两者通过40针总线接口相连3。其中，FPGA完成存储频率控制字、定时写入频率控制字的功能，AD9852则实现频率合成输出。频率合成器DDS是跳频信号源中的一个关键部件，其原理如图2所示。这种频率合成器工作频率高，可达GHz数量级；分辨率高，可达1Hz以下，稳定度高；体积小，重量轻，集成度高，这些都是其他频率合成器件难以比拟的。AD9852是近年推出的高速芯片，具有小型的80管脚表贴封装形式，其时钟频率为300MHz，并带有两个12位高速正交D／A转换器、两个48位可编程频率寄存器、两个14位可编程相位移位寄存器、12位幅度调制器和可编程的波形开关键功能，并有单路FSK和BPSK数据接口，易产生单路线性或非线性调频信号。当采用标准时钟源时，AD9852可产生高稳定的频率、相位、幅度可编程的正、余弦输出，可用作捷变频本地振荡器和各种波形产生器。AD9852提供了48位的频率分辨率，相位量化到14位，保证了极高频率分辨率和相位分辩率，极好的动态性能。其频率转换速度可达每秒100×106个频率点。在高速时钟产生器应用中，可采用外接300MHz时钟或外接低频时钟倍频两种方式，给电路板带来了极大的方便，同时也避免了采用高频时钟带来的问题。在AD9852芯片内部时钟输入端有4～20倍可编程参考时钟锁相倍频电路，外部只需输入一低频参考时钟60MHz，通过AD9852芯片内部的倍频即可获得300MHz内部时钟。300MHz的外部时钟也可以采用单端或差分输入方式直接作为时钟源。AD9852采用＋3．3V供电，降低了器件的功耗。工作温度范围在－40°C～＋85°C。

　　本文采用AD9852所设计的频率合成器结构如图3所示。DDS模块分成二路输出：（1）第一路输出

　　100MHz～150MHz信号；（2）第二路输出150MHz～200MHz信号。其中DDS输出12．5MHz～25MHz的信号，经SWCON开关分成两路输出，一路输出12．5MHz～18．75MHz信号，经放大倍频、滤波，输出100MHz～150MHz信号；另一路输出18．75MHz～25MHz的信号经放大倍频、滤波输出150MHz～200MHz信号。

　　2FPGA与DDS接口设计

　　FPGA主要完成从外部向DDS写入频率控制字功能，其中频率控制字存储在FPGA内部RAM单元中。双方通过40针总线连接，其中信号线为：8位数据线、6位地址线、复位信号、updateclk（频率跳变信号）、swcon（开关：高频段和低频段转换信号，当swcon为低时输出高频段，当swcon为高时，输出低频段）、wr（写信号）。

　　AD9852用于频率合成时工作在单频模式（singletonemode）其工作时序关系如图4所示。

　　由图4可以看出，首先必须对AD9852复位。复位信号为高有效，然后写入频率控制字，当updateclk有效时，即有频率F1输出。其中AD9852写入频率控制字分为并行写入和串行写入两种模式，本文采用FPGA并行写入方式。AD9852并行写入频率控制字时序关系如图5所示。基于以上AD9852的工作时序关系，设计的FPGA－DDS接口如图6所示。发射FPGA采用一块ALTERA公司的APEX20K100系列芯片，该芯片逻辑单元为4160个，最大RAM容量为53，248bit，完全能够满足生成跳频图案的要求。图6中update为AD9852频率字更新信号，根据指标要求按1／600s更新一次频率。图6中20进制计数器对update信号进行20进制计数。每计数一次，16进制计数器控制ROM的低位地址输出一组频率控制字，由AD9852合成一个频率；当计满20次时，则依次输出20个频点。20组频率控制字依次存放在FPGA内部RAM单元内，由外部地址信号驱动其按顺序输出。若要改变跳频图案，只需改变20组频率控制字存放顺序，或者改变外部地址信号驱动顺序即可。采用频谱仪观察结果如图7所示。由图7可以看出，频谱均匀分布在100MHz～170MHz之间，各项指标均达到预期要求。

　　信号通信论文篇3

　　作者：王伟何涛强生杰单位：兰州交通大学

　　数据输入后先转化成ASCII二进制码进行传输，通过调用m序列生成函数进行相加，产生扩展后的数据，然后将扩频码转换为BPSK(1,-1)序列，数据传输时进一步将BPSK双极性转换到单极性，最终在数据输出端进行m序列解扩，再结合解调过程将ASCII二进制码转换为输出数据。从图3(b)中可以看出数据展宽后可以明显降低信号功率密度，调制后传输的信号和白噪声具有很大的相似度，可以实现高隐蔽性传输。从图3(c)和图3(d)对调制信号包络，相干载波相位模糊度及其对解调数据的影响等性能对比，得出BPSK调制出传输过程中具有高的抗干扰能力和频谱利用率。最终解扩和解调后的输出数据(e)和输入数据图3(a)具有高度的一致性，可见此扩频方式具有很强的抗干扰性。

　　理论优势（1）抗干扰能力强。直接扩频通信系统中，解扩器端输入与输出信号功率保持不变，而对于干扰信号解扩过程相当于进行扩频，干扰功率被扩展到很宽的频带上，功率谱密度下降，这使得解扩过程中输入端的干扰信号功率大大降低。通过带通滤波器的滤波，大部分的干扰信号被滤除，有用信号则被保留。另外，扩频系统对各种恶劣天气时通信链路造成的影响进行抵抗，与传统微波相比可以进行跨江传输，在海面的长距离优质传输。这些优势适用于铁路系统在复杂环境下安全可靠的进行信号传输。（2）可以实现多址通信系统。多个通信在信息发送端和接收端使用相同的伪随机序列，而不同的通信则使用不同的伪随机序列，这样就实现了在相同载频下互不干扰的通信，实现频率复用，从而充分利用了频谱资源。由此可以进行机动灵活组网，有助于统一规划，分期实施，便于扩充容量，有效地保护前期投资。（3）有效抗多径干扰。在直接扩频通信系统接收到电波后，将同步锁定直达路径且信号最强的电波，其余电波由于非直达，会延时到达，在相关解扩作用下只作为噪声。另外，接收端把多路径来的同一码序波形相加使之得到加强，从而实现抗多径干扰。（4）隐蔽性强，对其它系统干扰小。扩频过程单位面积信号发送功率极低，隐蔽性强。低的功率谱密度，不容易被探测到，被截获的可能性降低，所以实现了其安全性方面的要求。同时，低功率谱密度让发射信号近似于噪声信号，而扩频信号可以在信道噪声和白噪声背景中传输，降低了对其它系统的干扰，增强了与其它系统的共存度。由于此系统的无线铁路信号传输过程中电磁干扰大幅度降低，不仅有利于将扩频通信系统应用于电气化铁路区段和弱场强区电磁环境，而且适于将其大规模应用到干线铁路中。（5）精确测距和定时。将应用周期长及伪随机码作为传输信号，比较从目的地反射回来的伪随机序列与原序列的相位，就可以得出时间差，由此也可实现定时操作，进一步利用传输速率和时间差的相乘即得出距离。相对于传统的轨道电路定位，扩频通信系统传输容量较大并且适合长距离传输，这有助于减少铁路测距定时设备，降低设备投资，便于维护。也可以作为原有测距定时设备的冗余，与原测距设备值进行比较，提高测距定时的安全可靠度。

　　扩频通信属于数字通信，是适合大容量高速率通信的系统，其加密功能和保密性，从一定程度上提高了铁路信息传输的安全可靠性。扩频通信系统容易实现码分多址，结合计算机及网路技术有助于铁路系统更快速的应用高新技术，从而使铁路系统向更加安全高效发展。另外，现有的扩频通信系统绝大部分使用的是数字电路，设备集成度高，安装简便，易于维护，更小巧可靠，扩展容易，平均无故障率时间也很长。目前，广州地铁和北京地铁等多个轨道交通项目中均采用了基于直接序列扩频技术的无线移动闭塞信号系统，为今后大规模成功应用于干线铁路提供了参考。

　　信号通信论文篇4

　　【关键词】互联网技术电力保护通信系统设计

　　随着电力工业及互联网技术的迅速发展，电力企业对线路的保护也提出了越来越高的要求。通信系统作为高频保护的一种重要的组成部分被要求具有更高的可依赖性、安全性及快捷性。同时，通信技术越来越发达，特别是光纤通信的日益普及为数字保护通信系统的发展提供了强有力的动力。

　　一、电力保护通信系统的概述

　　随着人力资本成本的不断提高，电力系统变电所逐步开展和普及无人值班的运作方式。所以传输各类信息的远动通道便成为了解和控制变电所运行状况的唯一窗口。因此，通道的建设、保持及维护成了工作的重点及难点。一般来说，远动通道分为接收变电所各类信息的“上行”通道和下发各类控制信息的“下行”通道这两种通道。上行通道一般可以直接通过主站显示屏的画面查看其运行情况，而对传输遥控命令的下行通道，至今所有的调度自动化系统、厂站端的RTU或变电站综合自动化装置均不具备对下行通道的检测功能，这严重影响着整个电力系统的运行安全[1]。基于此为了提高电力系统运行的安全性，对线路保护提出了更高的要求。而作为线路保护重要组成部分的远方保护信号设备的安全性、可靠性及快速性必须要可以保证。

　　二、电力保护通信系统的运用现状及趋势分析

　　2.1电力保护通信系统的运用现状分析

　　目前，我国电力保护通信系统的运用主要集中在一些大型的电力企业中，而对于小型的发电企业则很少使用，造成这种现象的原因是多方面的。首先，对于一些小型的电力企业来说采用电力保护通信系统的必要性比较弱。其次，系统的运行对人才与资金的要求比较高，小型电力企业不具有具备专业知识的系统建设及维护的专业技术人员。就目前我国电网中运行的远方保护信号设备而言，大部分的电力企业采用的都是模拟系统，这个系统主要包括使用电力线为载体的保护专用收发信机和电力线音频复用通信系统两个部分[2]。

　　2.2电力保护通信系统的运用趋势分析

　　随着互联网技术的不断发展，数字保护通信系统必然代表保护信号设备的发展方向。原因主要体现在以下几个方面。第一，数字保护通信系统符合全球数字化的潮流，第二，数字系统抗干扰的能力强，第三，数字设备可靠性比较高，调试和维护非常方便，从长远来看，可以降低使用成本。第四，数字设备可以提供良好的人机界面。

　　三、复用式数字保护通信系统的设计分析

　　通过上面的分析可以看出复用式数字保护通信系统必然代表保护信号设备成为未来的发展方向。在电网改造中SDH、ATM等新的光纤通信技术在电力系统通信中都得到了普遍应用，这无疑可以看出复用式数字保护通信系统的运用潜力[3]，同时电网改造也给复用式数字保护通信系统的运用提供了前所未有的发展机遇。现在高电压等级的变电站的保护信号通信设备首选是数字保护通信设备，而且实现的方式主要是将保护信号复用到SDH通信设备的时隙中，利用SDH设备的快速自愈性能进一步提高保护信号通信的可靠性[4]。基于此论文对复用式数字保护通信系统进行一个系统的设计。为了提高系统的整体性能，这套系统设计方案采用了特别的纠错编码解码方案，同时结合采用一些比较先进的技术设备，比如高速CPU、CPLD和流行的Windows人机界面等。这些都可以很大程度上提高设备的可靠性，使调试、维护和使用过程更加方便安全。复用式数字保护通信系统以具有自愈功能的SDH环状网为核心，提供行政电话、调度电话、远动数据和保护命令的全方位接入和传输。

　　四、结语

　　通过论文的分析可以看出数字保护通信系统必然代表保护信号设备的发展方向，这种数字保护通信系统不仅可以提高系统的整体性能，还可以提供行政电话、调度电话、远动数据和保护命令的全方位接入和传输，在实际运用中值得推广。最后，希望论文的研究为相关工作者及研究人员提供一些参考与借鉴价值。

　　参考文献

　　[1]吴玲燕.广域保护通信系统可靠性及其路由选择研究[D].重庆：重庆大学，2011

　　[2]周立龙.广域保护通信系统可靠性研究[D].西安：西安交通大学，2010

　　信号通信论文篇5

　　由于高校实际情况限制，所开设的移动通信实验课很难全面涵盖这些内容，尤其是涉及到移动通信网络的内容时，更显得力不从心。这样在有限学时内就导致实验内容只能侧重于基本调制技术、信道特性等基础简单实验，即便是开设GSM/CDMA的相关实验，也只是停留在相应模块的功能应用上，很难有深层次的提高[11-13]。这就使得学生反映移动通信理论课程很精彩，实验课程很乏味。为了改变这一现状，必须探索新的实验教学思路，创立新的实验教学体系。

　　新的移动通信实验教学体系，将先修课学习、工业实习、理论课学习、实验课开展、毕业论文等多个教学环节进行整合，形成从基础理论仿真到专业实验操作、工程技术实训、创新实验等一个开放的实验教学体系通过通信类先修课程的学习，使学生准备好相关的基础知识，同时也对移动通信在课程体系中的地位有明确的定位[14，15]。相应编程语言类课程的学习更为实验仿真提供了良好的基础。

　　移动通信理论课程的讲授为实验课程的开设提供了直接的理论平台。工业实习安排在移动通信实验课开设前一学期开展，实习内容是到各通信运营商公司和设备厂家进行跟岗实习，涉及到的内容有：移动通信系统基站的建设与维护；交换与传输系统管理和维护；光纤传输设施维护；移动终端制造与维修；3G应用等多个方面。通过工业实习使学生对当前移动通信所涉及到具体问题有了充分的感性认识，这对之后实验教学的开展，特别是移动网络方面实训的进行有很好的促进作用。移动通信实验教学的开展涵盖以下几个方面：基础理论仿真、专业实验操作、工程技术实训、创新实验、毕业设计。基础理论仿真是利用MATLAB软件实现：QPSK调制及解调；MSK、GMSK调制及相干解调；QAM调制及解调；OFDM调制解调；m序列产生及特性分析；Gold序列产生及特性分析；数字锁相环载波恢复；Rake接收机仿真实验。例如，OFDM调制解调实验，按照图2OFDM仿真结构图，利用MATLAB程序实现图2中不同测试点处的信号波形。专业实验操作则是在南京润众RZ6001实验平台基础之上，利用TMS320和GSM模块实现：直接序列扩频编解码；跳频通信；DS/CDMA码分多址；利用AT命令实现GSM/GPRS移动台短信收发、语音呼叫；CDMA数据传输实验。例如，直接序列扩频实验，利用DSP编程实现图3结构功能，并用示波器测量比较各测试点的信号波形。

　　工程技术实训阶段则是利用3G天线获取实际信号，利用频谱分析仪等仪器实现CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA信号的分析。同时实现基站放大器、塔顶放大器性能指标的测试。例如，图4中给出利用频谱分析仪所测得实际CDMA2000和WCDMA信号的频谱特性。创新实验阶段主要是针对有兴趣参加各类设计竞赛的学生开展，将全国及各省、校级电子设计大赛题目进行改造，从中选取与移动或无线通信有关，且具有创新性、前瞻性、实用性的方案，经过适当修改作为创新实验阶段的实验案例。学生可以通过这样的实验案例了解各级大赛的要求及特点，教师则也可以在实验教学过程中，选拔优秀学生参加各级大赛，进而提高学生的能力和水平。毕业设计阶段主要是利用实验室实验条件，从学院承担的科研项目中，将某些项目进行简化、修改、重组，转化成通信专业类论文题目，或从本专业最新的科技论文中选择其中合适的内容进行改进，作为通信专业类综合性毕业设计案例，从而将先进的科研成果打造为优质教学资源，实现基础与前沿、经典与现代的结合。为通信类专业学生提供了广阔的选择空间和开放的培养环境。

　　总之，移动通信实验教学体系中基础理论仿真、专业实验操作和工程技术实训是必修课程教学内容，是实验教学的基础与根本[16]。创新实验、毕业设计则是移动通信实验向之后教学、实践环节的扩展与延伸。这样由必修和扩展环节共同构建起移动通信实验教学开放体系。移动通信实验是与工程应用联系密切的一门课程，其教学改革一直为通信专业实验教学研究所关注。

　　信号通信论文篇6

　　1964年，光纤通信新设想

　　1964年8月，31岁的高锟在英国科学进展协会发表演讲，提出一个让所有听众兴奋的想法：在未来的电话网中，我们完全可以用光代替电流，用玻璃纤维代替导线，实现新一代通信技术――光纤通信。

　　在那时，光纤通信的理想，无异于痴人说梦、异想天开。为什么?玻璃纤维的透明度太低，怎么可能传送光信号?假设作这样一个实验：有一根1千米长的光纤，从它的一端输入光信号，在另外一端测量输出的光信号。在1960年代中期，这样的实验会有什么结果呢?这个输出信号简直是“微乎其微”的“天文小数”输入信号与输出信号之比，等于10的100次方!用科学家的术语表示就是：玻璃纤维的损耗为1000分贝／千米。

　　“用玻璃纤维代替导线”的设想诞生以后，高锟就面临一个巨大的课题：如何降低玻璃纤维对光信号的损耗?他一直在思考这样的问题：玻璃纤维的损耗究竟是由什么因素造成的?怎样能消除这些引起损耗的因素?

　　经过大量的实验，高锟发现，玻璃纤维的损耗太大，主要是因为石英玻璃含有铁、铜、镍、镉、钴等杂质离子对光的吸收。此外，石英玻璃结构上存在缺陷，也会吸收光或散射光。解决玻璃纤维损耗问题的头绪清晰了，高锟和他的同事在1965年的圣诞节前完成了他们的论文。

　　1966年，高锟等的论文《介质纤维表面光频波导》发表了。在论文中，高锟预言，用石英玻璃纤维进行长距离信息传输，将带来一场通信技术的革命。他满怀信心地指出，当玻璃纤维的损耗下降到20分贝／千米之日，就是光纤通信成功之时。

　　1970年代，光纤损耗逐年降

　　高锟深知，这个“降低玻璃纤维损耗”的任务非常严峻，要成功，必定要动用庞大的人力和物力。因此，以后，为了推动低损耗玻璃纤维研究和光通信的发展，高锟随即前往美国、日本、联邦德国进行学术交流。1966年，他到美国一家通信巨头的著名实验室推广自己的主张，但是没有获得共鸣。

　　可喜的是，高锟在通信界以外的玻璃生产商康宁玻璃公司找到了知音。康宁公司赞赏高锟的理论。后来，这家公司的罗伯特?莫勒研究小组，借助半导体工业的气相沉淀技术，提高了石英玻璃的纯度。1970年，莫勒小组研制的光纤，损耗下降到20分贝／千米(光波长为1.55微米)。在他们进行的实验中，信号通过25千米长的光纤传送到远处的接收设备。高锟在1966年提出的日标，被康宁公司实现了。为了这个目标，高锟和有志于光纤通信的人士，整整奋斗了4年。

　　1970年代的10年，是光纤损耗不断下降的1O年。1974年，光纤损耗下降到2分贝／千米(光波K为1.55微米)。1976年，光纤损耗下降到1分贝／千米(光波长为1.55微米)。到1970年代末，光纤损耗下降到0.2分贝／千米(光波长为1.55微米)。这个数据有什么意义呢?我们把理论极限值说出来，你就明白了：光波长为1.55微米时，光纤损耗的理论极限是0.11分贝／千米。

　　可以说，1970年代，是走向光纤通信的关键的10年。高锟为实现光纤通信的理想而不懈奋斗的精神令人赞佩；那些为研制低损耗光纤作出巨人贡献的人们，也将被历史所记忆，他们是美国科学家卡普朗、凯克、莫勒。

　　1980年代，光缆干线通千里

　　到1970年代，光纤损耗降下来了，半导体激光器的寿命提上来了，构成光纤通信系统的主要元器件比较成熟了。光纤通信已是“水到渠成”。1976年，在美国佐治亚州首府亚特兰大，光纤通信实验获得成功。

　　1977年，第一个实用光纤通信系统开始工作。人们利用光纤将把美国空军的风洞试验设备与1.6千米以外的计算机连接起来。

　　1979年，光纤通信进入商业应用。在欧洲，法国的光缆电视开始运营；联邦德国的光缆通信线路(长度为15.4千米)投入使用。

　　1983年，在美国，从纽约到华盛顿的600千米光缆通信线路开始运营。1984年，美国长达1250千米的光通信“东北走廊干线”开通。

　　1985年，日本建成从北海道至九州的光缆干线，全长2200千米。

　　就在1985年，人们开始将光缆铺设到海洋里。

　　1988年，海底光缆越大洋

　　在谈论海底光缆之前，先说说海底电话电缆。1956年，第一条穿越大西洋的海底电话电缆TAT－1正式启用，它把加拿大与英国联系起来。

　　TAT-1直径1.6厘米，每隔70.5千米设有一个增音器：可以允许36路电话同时通话。TAT-1在水下默默工作了22年，于1978年宣布报废。

　　1988年，全长6630千米，连接美国和英国、法国的大西洋海底光缆TAT-8建成并投入运营。

　　TAT-8直径2.1厘米，结构能适应海洋工作环境；每隔50千米设一增音器，总共有125个增音器，在25年的寿命期间损坏的增音器不得超过3个。能同时传送38000路电话，这一容量等于国际通信卫星-V的3倍多，是第一条穿越大西洋的海底电话电缆TA-1容量(36路电话)的1000倍：设计寿命为25年。

　　2009年，高锟终于获诺奖

　　“光纤”的发明者高锟，早就被人们誉为“光纤之父”。他先后获得巴伦坦奖章、利布曼奖、光电子学奖金等重大奖项。但是，几十年过去了，他未能获得诺贝尔奖。

　　这让人想到集成电路的发明者基尔比。他也早就被人们称作“集成电路之父”。基尔比曾先后获得巴伦坦奖章、美国科学奖章、美国技术奖章等许多重大奖项。直到2000年前，40年过去了，他未能获得诺贝尔奖。

　　但是，在今日世界又有谁能不承认，在最近的几十年里，集成电路和光纤使人类的生活发生了根本的改变?

　　诺贝尔奖终于垂青伟大的应用性发明，开始重视伟大的技术发明。9年前，它决定让基尔比与阿尔费罗夫和克勒莫分享2000年诺贝尔物理学奖；今年，它让高锟与威拉德?博伊和乔治?史密斯分享2009年诺贝尔物理学奖。

　　2009年1O月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德?博伊和乔治?史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中传输实现光学通信方面”取得了突破性的成就。他获得了2009年诺贝尔物理学奖一半的奖金，即大约71.8万美元。威拉德?博伊和乔治?史密斯因发明半导体成像器件――电荷耦合器件(CCD)图像传感器，分享2009年诺贝尔物理学奖另外一半的奖金。

　　信号通信论文篇7

　　关键词：最大似然估计；卫星通信；成对载波多址技术；联合估计

　　中图分类号：TN911.7 文献标识码：A

　　成对载波多址技术（PCMA， Paired Carry Multiple Access）是近年来广泛采用的一种新型卫星通信多址接入技术。该技术在1998年由美国Viasat公司最先提出。与其它多址接入技术相比，采用PCMA的卫星通信系统能允许互相通信的两个地球站在时域和频域上完全重叠，也即互相通信双方的地面站可以采用完全相同的频域，时隙及扩频码字，所以使用PCMA后空间段频率的资源节省了50%，即提高了一倍卫星通信的频带利用率。同时，PCMA通信系统拥有很高的保密性和抗截获性，而相对的付出成本却很低，对系统的误码率影响很小。

　　1 PCMA的原理

　　采用PCMA的卫星通信系统必须满足以下几个基本条件：

　　1. 卫星系统必须以回路方式进行工作。即系统任何一个终端所发送的信号经卫星转发器返回后既能被自身终端所接收到，也能被网内的其余终端所接收到。采用全球波束的卫星通信系统和单波束覆盖范围内能互相通信的各个终端都可以看作是满足回路工作的条件，可将PCMA运用于其中。而一些要对回路进行抵消的卫星通信系统则不适用于PCMA。

　　2. 转发器必须采用透明转发器。当转发器接收到地面站发送的上行信号后，仅对其进行低噪声放大，带通滤波、变频及功率放大的工作并将其转发至各地面站，而不对其进行解调或重新调制等星上处理工作。

　　采用PCMA的卫星通信系统中，由于地面站发送的信号能被自身接收，因此地球站能同时接收到对方的发射信号和本站发射的经透明转发器转发后的返回信号。尽管两者可能在时域和频域上完全重叠，但由于用户已知自身发射信号的内容，因此可以采用干扰抵消算法在一定程度上消除干扰信号。常用的PCMA应用模式分为对称模式和非对称模式。非对称模式中，主站的发射功率远大于小站的发射功率，因此小站一端接收到的有用信号功率远大于干扰信号发射的功率，可直接对有用信号进行解调，而主站一端所接收到的有用信号功率远小于自干扰信号的功率，必须采用干扰抵消算法将干扰信号进行消除。而对称模式恰好相反，该模式下，主站与小站双方的发射功率基本相等，并且由于接收到的两个信号的特征一致，波束范围内的其它接收站无法对信号进行解调，因此与一般的多址技术相比，PCMA具有较强的抗截获能力。本文所构造的PCMA信号都是基于对称模式下的PCMA信号。

　　为了抵消干扰信号，需要对干扰信号的幅度，频偏时延等参数进行估计。目前国内外的文献主要是对单个干扰信号参数进行估计。然而在实际情况中，往往存在多个干扰信号参数未知的情况，此时我们必须对多个未知参数而非单个参数进行估计。本章讨论了在频偏、幅度、相移三者都未知的情况下，采用最大似然估计法对多个未知参数进行联合估计，得出各估计量的估计表达式，并对估计性能进行仿真。

　　2 参数的联合估计

　　假设接收到的PCMA信号中，干扰信号幅度、频偏、相移三者都是未知参量。本节采用最大似然估计法对这三个未知参数进行联合估计。为了推导方便，先采用实信号来表示PCMA信号（即干扰信号，有用信号与噪声都采用实信号表示）。

　　最大似然估计算法的核心是通过使似然函数最大来求得参数的估计值。给出PCMA信号的概率密度函数如下式：

　　综上，各待估计参数的估计表达式可由式（17），（18）与（19）给出。不难看出，为求得各参数的估计值，首先必须通过式（17）求得频偏的估计值，再通过求得的频偏估计值来获得相移的估计值，最后通过求得的频偏与相移估计值来得到幅度的估计值。

　　3 仿真实现

　　假定有用信号与干扰信号的实际幅度比为0.98，考虑实际情况，即系统受到相移和频偏的影响。干扰信号与有用信号两者的相对相移为（1/4）pi，固定频偏Δf为3.85KHZ。采用QPSK调制方式进行调制，采用升余弦滤波器作为成形滤波器，设定滤波器的滚降系数为0.3，内插倍数为8倍。假设有用信号与干扰信号完全同步，固定数据长度为500，信噪比为10dB，为求得矢量参数的估计表达式，首先必须求得频偏的估计值。如上文所说，频偏的估计值即通过使得 最大所对应的Δf来确定。因此改变信噪比，通过不同信噪比下式（16）的最大值所对应的频偏来得到频偏的估计值。比较不同信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio）下估计频偏与渐进频偏的关系如图1所示：

　　用求得的频偏估计值来对相移进行估计，得到不同SNR下估计相移与渐进相移的关系如图2所示：

　　最后通过求得的频偏与相移估计值来得到幅度的估计值。得到不同SNR下估计幅值与渐进幅值的关系图如图3所示：

　　图1、2与3的共同特点是在数据长度一定的情况下，随着信噪比SNR的不断增加，各估计量的估计均值越发趋近于实际渐进均值，满足最大似然估计的渐进特性。

　　在参数的联合估计中，幅度的估计表达式受频偏的估计值与相移的估计值影响。为了进一步说明频偏与相移的存在对幅值估计性能的影响，图4比较了存在相移与频偏时幅度的相对误差与无相移与频偏时幅度的相对误差，仿真图如图4所示：

　　比较图4的两条曲线可知，当存在相移与频偏时，通过估计相移与估计频偏求得的幅度估计值对应的相对误差明显高于不存在相移与频偏时幅度估计的相对误差。

　　结语

　　由于涉及到相对繁琐的数学运算与矩阵求逆，因此多个参数的联合估计一直是目前PCMA研究的难点与热点所在，目前国内外对该方面的相关研究也很欠缺。论文讨论了在频偏、幅度、相移三者都未知的情况下，采用最大似然估计法对多个未知参数进行联合估计，得出各估计量的估计表达式，并对估计性能进行仿真。从估计表达式中可以看到，为求得各参数的估计值，首先必须求得频偏的估计值，其估计值可通过求式（17）的最大值来得到，再通过求得的频偏估计值来获得相移的估计值，最后通过求得的频偏与相移估计值来得到幅度的估计值。通过仿真图得到，当数据长度固定时，三种估计量的在低SNR时，其估计均值与实际渐进均值相差很大，然而，随着SNR的不断提高，估计均值渐近达到于其实际均值，符合最大似然估计的渐近特性。

　　论文最后还比较了存在相移与频偏和不存在相移与频偏时幅度的相对误差，通过仿真说明前者的相对误差明显大于后者。

　　参考文献

　　[1]Bai Dong，Yi Na.Estimation of interference Amplitude in PCMA System.Vacuum Electronic.February 18，2003.

　　[2]Mark Dankberg. Paired Carrier Multiple Access for Satellite Communications. First Present At Pacific Telecommunions Conference.USA： Honolulum Hawaii. January 13，1998.

　　[3]P Djuric，J Kotecha，J Zhang.Applications of particle filtering to selected problems in commu-nications[R].Spain：Springer，2003.

　　[4]Steven M.Kay.统计信号处理基础-估计与检测理论[M].电子工业出版社，2006.

　　[5] Pan Shen-fu， Li feng， Li Wen-duo， Interference Carrier Phase Estimation in PCMA System.

　　信号通信论文篇8

　　近些年来对无线通信技术领域的研究越来越多，这些技术在地空通信中逐渐成为热点。LDPC码是一种线性的分组码，它是基于稀疏校验矩阵的。本论文简要介绍了LDPC码的编码算法和译码算法，以及在地空通信中的应用。

　　【关键词】 LDPC码 地空通信 编码

　　1 LDPC码简介

　　1.1 提出LDPC码的背景

　　卫星通信技术发展越来越成熟，最近研发的卫星通信技术能够通过空间卫星进行地空通信。LDPC码是其中非常重要的一环，这是因为LDPC码具有强大的纠错能力，具有很低的复杂度等。

　　LDPC码具有很强的纠错能力，同时还具有低复杂度的快速译码算法和比较好的特性结构，所以在最新的带宽无线多媒体的通信系统中，LDPC码成为了能够传播高质量的通信以及视频信号的关键性技术。同时LDPC码已经广泛被欧洲等国家的卫星使用。

　　1.2 LDPC码的基本概念

　　LDPC码的全称为低密度奇偶校验，1960年后Gallager第一次提出这个概念。LDPC码是一种线性的分组码，它是基于稀疏校验矩阵的。LDPC码的编码是一种随机码。由于当时的技术和条件都十分落后，LDPC码并没有广泛应用于实际当中。后来人们发现了Turbo码，但是Turbo码在本质上就是LDPC码。LDPC码的纠错性能十分优异，近些年来越来越受到人们的重视。

　　LDPC码的译码采用软判决的置信传播迭代译码算法。正是由于这个原因，LDPC码在给定误码率的情况下，信息的传输速率和Shannon限很接近。在某种程度上，LDPC码的纠错性比Turbo码强出了很多很多。我们都知道，译码的复杂度与码长有关，而且是线性的关系。要想实现长编码分组的应用，就必须克服分组码在长码的时候译码的计算量问题。

　　2 DVB-S2标准的前向纠错系统

　　LDPC码的编译方法有许多，本论文简要介绍一下介绍LDPC码的DVB-S2标准编译码方法。

　　第一代DVB标准是1994年提出来的，它采用RS码，QPSK调制和级联卷积码的方式。但是伴随VLSI技术的发展，就出现了更高效率的编码方式。DVB-S2项目组的目标旨在带宽和功率不增加的情况下，增加百分之30的传输量。

　　DVB-S2标准主要由三个部分组成：BCH（前向纠错系统由外编码）、LDPC（内编码）和比特交织。同时输入流包括BBFRAMES（基本比特帧）和FECFRAMES（外流前向纠错帧）。FEC系统处理完每个BBFRAME（kbch位）之后，都会产生一个FEC-FRAME（nldpc）。系统BCH外码的奇偶校验比特（BCHFEC）被加到BBFRAME，LDPC内码的奇偶校验比特被加到BCHFEC后面。

　　3 LDPC码的算法

　　3.1 LDPC码编码算法

　　传统的规则LDPC码的编码主要可以分为四步，分别如下。其框图如图1所示，编码步骤如下：

　　（1）明确规则LDPC码的H矩阵的列重和行重。

　　（2）构造LDPC码的H矩阵。

　　（3）将校验矩阵H转换成系统形式。

　　（4）根据线性分组码系统形式的校验矩阵与生成矩阵之间的关系得到相应的生成矩阵G，编码生成的码字为C=uG。

　　3.2 LDPC码的译码算法

　　LDPC码有很多种译码方式，常见的译码方式主要有：加权比特翻转译码、比特翻转译码、大数逻辑译码、后验概率译码以及和积算法译码等。本论文简要介绍和积算法。

　　所谓和积算法，就是一种迭代译码算法，它的传播是基于置信度的。下一次迭代的输入，是上一次译码结束时可靠度量度的计算结果。直到达到了某个特定的条件后，译码的迭代过程才会停止，进而系统会作出硬判决。

　　4 我国的LDPC码在将来地空通信中的应用

　　地空通信具有许多特点，比如信号的能量衰减比较严重，信息的传输延时比较大等等。因此必须采取特殊的方法，才能够保证信息传输时的可靠性。地空通信信道对于信道编码是一种理想的信道。

　　（1）地空通信信道和无记忆的高斯信道很相似，都是Shannon编码理论的信道模型。

　　（2）地空通信信道可以使用很低的频带利用率的编码和二进制调制方案，因为地空通信信道具有很丰富的带宽。

　　（3）由于地空通信中传输距离非常远，信号的能量衰减比较多，所以采用的都是低码速率通信。

　　以前地空通信使用的都是Turbo码。Turbo码具有很多优点，比如误码性能很好，但是仍然存在着误码平台。相对于Turbo码，LDPC码更适合作为地空通信的信道编码，这是因为LDPC码具有很低的译码复杂度、更低的误码平台以及更大的吞吐量。要想设计出更加适合于地空通信的LDPC码，还需要考虑到功耗效率、编码器和译码器的结构以及复杂度等等。作为一种重要的信道编码，LDPC码必将会在地空通信中发挥重要的作用。

　　5 总结

　　近些年来对无线通信技术领域的研究越来越多，这些技术在地空通信中逐渐成为热点。LDPC码是一种线性的分组码，它是基于稀疏校验矩阵的。本论文简要介绍了LDPC码的编码算法和译码算法，以及在地空通信中的应用。

　　参考文献

　　[1]曾蓉，梁钊.低密度校验LDPC码的构造及编码[J].重庆邮电学院学报（自然科学版），2005，17（3）：316-319.

　　[2]张长帅，宋黎定，刘泳.LDPC码在深空通信中的应用技术研究[J].航天器工程，2007，16（3）：90-92.

　　[3]翟政安，罗伦，时信华.深空通信信道编码技术研究[J].飞行器测控学报，2006，25（2）：59-61.

　　作者单位

标签：信号通信